專利名稱：一種射頻功率放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，具體涉及ー種用于移動(dòng)通信基站中的高效率高線性度射頻功率放大裝置。
背景技術(shù)：
射頻功率放大器是無(wú)線通信基站系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能將直接影響通信產(chǎn)品的成本、性能、體積、穩(wěn)定性等指標(biāo)。射頻功率放大器的效率和線性度是學(xué)者們近年來(lái)研究最多的兩個(gè)指標(biāo)。隨著綠色無(wú)線電概念的盛行，各通信運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃在未來(lái)十年將總功耗降低50%-60%。根據(jù)愛(ài)立信的研究數(shù)據(jù)表明，能源成本占到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的一半之多，而移動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)的總能耗中，基站占到了 60%，射頻功率放大器的能耗占基站總能耗的60%以上。射頻功率放大器的效率成為首先要解決的問(wèn)題。與此同吋，3G、4G通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射頻功率放大器的線性度也提出了更高的要求。 単獨(dú)實(shí)現(xiàn)了高效率指標(biāo)或者高線性的指標(biāo)已經(jīng)不再是研究的難點(diǎn)，現(xiàn)有很多技術(shù)方案已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，并且其研究的意義已經(jīng)不大。但是要將兩個(gè)指標(biāo)都較好的在同一個(gè)射頻功放中實(shí)現(xiàn)，其難度是非常大的。目前3G通信基站中采用最多的是數(shù)字預(yù)失真與Doherty結(jié)合的方案，原理框圖如圖I所示。主要由數(shù)字基帶處理単元10、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元20和功率放大單元30構(gòu)成。數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)需要將原始的基帶信號(hào)與經(jīng)過(guò)放大器放大的失真信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，建立放大器的行為模型，求解出它的逆函數(shù)，作為預(yù)失真器，使得系統(tǒng)對(duì)。功率放大單元由驅(qū)動(dòng)功放31和Doherty功放32構(gòu)成。Doherty技術(shù)是目前提高射頻功率放大器效率的主要技術(shù)之一，特別是針對(duì)目前的無(wú)線通信信號(hào)，由于其具有一定的功率峰均比，Doherty能在整個(gè)回退區(qū)都達(dá)到較高的效率，因此適合作為基站中的末級(jí)功率放大器，來(lái)提高功放的平均效率。該方案已成熟應(yīng)用于エ業(yè)中，并且已有大量公開(kāi)資料，故對(duì)各個(gè)內(nèi)部単元就不再做詳細(xì)描述。在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的研究和實(shí)踐中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案存在以下缺陷數(shù)字預(yù)失真需要對(duì)比原始輸入信號(hào)和功放輸出信號(hào)之差，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行反饋采集，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件成本較高。其次數(shù)字預(yù)失真算法比較復(fù)雜，特別是對(duì)于寬帶信號(hào)，功放的記憶效應(yīng)嚴(yán)重，簡(jiǎn)單的預(yù)失真模型很難模擬射頻功放非線性特性。另外，該系統(tǒng)無(wú)論是運(yùn)算量還是運(yùn)算速度都對(duì)數(shù)字電路有很高的要求。エ業(yè)上往往采用昂貴的高速FPGA或者DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，大量的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算使得數(shù)字信號(hào)處理單元的功耗成倍增長(zhǎng)，影響了整個(gè)射頻功放模塊的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有高效率射頻功率放大器失真大、線性度不高的缺點(diǎn)，目的是提供一種高效率高線性度的射頻功率放大器，能夠很好地抑制功率放大器的非線性失真，并且提高整個(gè)功率放大器效率。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是
一種射頻功率放大裝置,該裝置包括-數(shù)字控制電路單元100，至少包括一個(gè)定向耦合器101，耦合主干路上的射頻信號(hào)；一個(gè)射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102,檢測(cè)輸入信號(hào)功率大小，以模擬電壓形式輸出；ー個(gè)柵極電壓控制電路103，采集射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102輸出的模擬電壓，根據(jù)輸入射頻信號(hào)的功率檢索查找表LUT，輸出兩個(gè)模擬電壓，分別作為驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的柵極偏置電壓和Doherty的主功放300的柵極偏置電壓；-驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200，對(duì)射頻信號(hào)初步放大，至少包括一個(gè)晶體管201，所述晶體管201前端具有匹配網(wǎng)絡(luò)和可調(diào)柵極供電電路；所述晶體管201后端具有漏極供電電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；-Doherty功放300，至少包括功率分配器301，將射頻信號(hào)等功率分為兩路；至少包括一個(gè)主功放302，與功率分配器301的其中ー個(gè)輸出端相連，其偏置在AB類或B類，柵 極電壓可調(diào)；至少包括一個(gè)峰值功放303，與功率分配器301的另ー個(gè)輸出端相連，其偏置在C類；至少包括功率合成器304，起到負(fù)載調(diào)制作用，使主功放302提前進(jìn)入飽和工作狀態(tài)；在上述裝置中，通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200和Doherty功放300，獲得高的放大效率；通過(guò)設(shè)置數(shù)字控制電路單元100，根據(jù)功率放大器非線性失真產(chǎn)生的機(jī)理，利用柵極電壓控制電路103控制驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的柵極偏置電壓和Doherty的主功放302的柵極偏置電壓，從而改變驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200和Doherty的主功放302失真分量的相位與幅度，使其對(duì)消，獲得高的線性度。所述射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102包括帶通濾波器BPFl 12，功率檢波器122和低通濾波器LPF132。所述晶體管201選用LDMOS或者GaN。所述功率分配器301是威爾金森功分器或者Branch-line定向稱合器。本發(fā)明的有益效果是，在傳統(tǒng)高效率基站功放系統(tǒng)上，利用功放非線性失真產(chǎn)生的機(jī)理，設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)單的線性化方法。功放的非線性失真分量近似為ー個(gè)關(guān)于輸入功率和偏置的ニ維函數(shù)。對(duì)射頻功率放大器電路進(jìn)行改進(jìn)，使得功放的柵極電壓可調(diào)。根據(jù)輸入信號(hào)功率來(lái)改變系統(tǒng)中各放大器的偏置，控制其產(chǎn)生失真分量，以達(dá)到抵消失真，改善線性度的目的，較傳統(tǒng)的基站功放方案，大大簡(jiǎn)化了硬件和軟件的開(kāi)銷，降低了成本。減小了數(shù)字電路的功耗，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率有所提升。實(shí)驗(yàn)證明在交調(diào)失真(MD)小于-30dBc的情況下，系統(tǒng)效率優(yōu)于40%。


為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的方案，下面將通過(guò)參照附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)行簡(jiǎn)單地描述。其中圖I是傳統(tǒng)基站功率放大器方案；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的高效率高線性功率放大器系統(tǒng)；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路框圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的放大器跨導(dǎo)與柵極電壓的關(guān)系曲線；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的線性化原理框圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案更加清楚明白，在下文中，將參照本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。本發(fā)明涉及一種高效率功率放大器模塊及其線性化方法。高效率功率放大器単元的實(shí)現(xiàn)，無(wú)線系統(tǒng)中采用的調(diào)制方案(例如，正交頻分多址(OFDM)，或者碼分多址(CDMA)的正交幅度調(diào)制(QAM))將產(chǎn)生7-13dB的功率峰均比(PAPR)射頻信號(hào)。而功率放大器一般都設(shè)計(jì)在其功率最大值附近實(shí)現(xiàn)最高效率。本發(fā)明涉及的ー種驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200和一個(gè)改進(jìn)型Doherty功放300的構(gòu)架，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。圖2為實(shí)施例的電路原理框圖，射頻功率放大裝置包括-數(shù)字控制電路單元100，耦合輸入的射頻信號(hào)，測(cè)量RF信號(hào)的輸入功率，根據(jù)該變量的大小控制輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200和Doherty放大器中主功放302的柵極電壓，主要功能是改善系統(tǒng)的線性度。數(shù)字控制電路單元100至少包括一個(gè)定向耦合器101，耦合主干路上的射頻信號(hào)；一個(gè)射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102，檢測(cè)輸入信號(hào)功率大小，以模擬電壓 形式輸出；一個(gè)柵極電壓控制電路103，采集射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102輸出的模擬電壓，根據(jù)輸入射頻信號(hào)的功率檢索查找表LUT，輸出兩個(gè)模擬電壓，分別作為驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的柵極偏置電壓和Doherty的主功放300的柵極偏置電壓。具體的，定向耦合器101，耦合主干路上的射頻信號(hào)到數(shù)字控制電路單元100進(jìn)行處理。射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102，與定向耦合器101耦合端相連，完成對(duì)射頻信號(hào)功率的檢測(cè)，以模擬電壓形式輸出。為使電路效果更好，可采用圖3所示方案，包括帶通濾波器(BPF) 112，功率檢波器122和低通濾波器(LPF) 132，功率檢波器122可采用ADI公司的ADL5513。柵極電壓控制輸出電路103，輸入端采集射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路102輸出的模擬電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以此檢索ROM中已存儲(chǔ)的查找表(LUT)信息，得到驅(qū)動(dòng)放大器200和Doherty中主功放302的柵極電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以模擬電壓形式輸出。查找表(LUT)中的數(shù)據(jù)為調(diào)試測(cè)量所得。調(diào)試測(cè)量原理的將在下文線性化方案中詳細(xì)闡述。-驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200，對(duì)射頻信號(hào)初步放大，柵極電壓控制電路103根據(jù)輸入信號(hào)功率改變柵壓，調(diào)整驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生失真的相位與幅度，與末級(jí)的失真分量對(duì)消，提高系統(tǒng)的線性度。驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200與信號(hào)輸入端相連,可以由ー個(gè)或者多個(gè)功率晶體管201構(gòu)成，晶體管201選用LDMOS或者GaN，晶體管201前端具有匹配網(wǎng)絡(luò)和可調(diào)柵極供電電路、晶體管201后端具有漏極供電電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。-Doherty功放300,是改進(jìn)型的Doherty功放,與驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200輸出端相連、將射頻信號(hào)進(jìn)ー步高效放大，柵極電壓控制電路103提供主功放302的柵壓，保證系統(tǒng)的線性度。Doherty功放300至少包括一個(gè)功率分配器301、將射頻信號(hào)等功率分為兩路，可以是威爾金森功分器或者Branch-line定向耦合器101 ;至少包括一個(gè)主功放302，與功率分配器301的其中ー個(gè)輸出端相連，其偏置在AB類或B類，柵極電壓可調(diào)；至少包括ー個(gè)峰值功放303，與功率分配器301的另ー個(gè)輸出端相連，其偏置在C類；至少包括功率合成器304，起到負(fù)載調(diào)制作用，使主功放302提前進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，完成主功放302和峰值功放303功率合成及負(fù)載調(diào)制的作用。關(guān)于Doherty功放300的結(jié)構(gòu)和高效率原理都屬于公知技術(shù)，在此就不進(jìn)行詳述。具體的主功放302，偏置在AB類或者B類，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)便開(kāi)啟。其柵極供電電路前需接低通濾波電路，以適應(yīng)時(shí)變的柵極電壓。峰值功放303偏置在C類，通過(guò)控制其柵極電壓，可以確定其開(kāi)啟時(shí)間。設(shè)計(jì)合適的回退量，以此來(lái)確定峰值功放303開(kāi)啟的時(shí)間，仿真計(jì)算出峰值功放303的柵極電壓。圖4為功率MOSFET三階跨導(dǎo)和五階跨導(dǎo)關(guān)于柵極偏壓的函數(shù)關(guān)系。調(diào)整主功放302的柵極電壓，可使其三階跨導(dǎo)與峰值功放303的三階跨導(dǎo)等幅反相，以達(dá)到Doherty三階交調(diào)分量(頂3)抵消的目的。根據(jù)五階跨導(dǎo)與柵壓的關(guān)系曲線，五階交調(diào)分量(頂5)很難通過(guò)此方法抵消。因此需要驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的輔助，同時(shí)消除頂3和頂5失真，下文也將進(jìn)行詳細(xì)分析。為了更好地描述本實(shí)施例線性化方案的工作方式，以下將參考圖5，進(jìn)行詳細(xì)闡 述。三階交調(diào)分量(頂3)和五階交調(diào)分量(頂5)是影響功率放大器失真的兩個(gè)主要指標(biāo)，其指標(biāo)的好壞能直接衡量功放系統(tǒng)的線性度。本實(shí)施例以雙音輸入信號(hào)為例，闡述線性改善的過(guò)程。射頻輸入信號(hào)為公式(I)所ホ，a(t)為信號(hào)的幅度函數(shù)，《 p 分別代表雙音信號(hào)的兩個(gè)頻率信息。S (t) = a (t) [cos ( co t) +cos ( w 2t) ](I)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的非線性行為模型可用公式(2)表示，其中^ 為功放n階分量的系數(shù)。Vout (t) = a Jin (t) + a 2Vin2 (t) + a 3Vin3 (t) + (2)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200后，輸出信號(hào)X(t)中含有基波成分和n次諧波成分，其相互作用，產(chǎn)生交調(diào)失真分量，可以用式(3) (4) (5)來(lái)分別表示輸出信號(hào)中的基波分量，三階交調(diào)分量(頂3)和五階交調(diào)分量(頂5)。基波分量X基波(t) = a ia(t) [cosOW+cosOj)](3)ニ階交調(diào)ちW3(/) = fて《3rt3(/) + ~^~cr5a5(/) cos[(2叫-a>2)t + (P3](4)
\ 4oJ
(K _ 、五階交調(diào)；.^/)=:^^^/)!^^^-〗 ，)/+ ^](5)
V8 J其中口朽分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200對(duì)三階和五階分量的相移。Doherty功放300同樣也可用類似驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的公式(6)來(lái)表示，& n為功放n階分量的系數(shù)。Vout (t) = & Jin (t) + 旦 2Vin2 (t) + 旦 3Vin3 (t) +. . .(6)輸入信號(hào)為驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器200的輸出X(t)為Doherty功放300的輸入信號(hào)，其中包括父基&(0、ん 3(0、父 5(0等，高階分量由于幅度很小，可以忽略。基波X基波(t)經(jīng)過(guò)Doherty放大，同樣將產(chǎn)生三階和五階交調(diào)失真，Xim3 (t)、Xim5 (t)通過(guò)Doherty功放300正常放大?；╔_⑴經(jīng)過(guò)Doherty功放300后，將產(chǎn)生新的基波，三階和五階失真，可以分別用式(7) (8) (9)來(lái)表示。
基波分量Y基波(t) = β1 a1 a(t) [cosOW+cosOj)](7)ニ階交調(diào)
權(quán)利要求
1.一種射頻功率放大裝置，其特征在于，該裝置包括 -數(shù)字控制電路單元(100)，至少包括一個(gè)定向耦合器(101)，耦合主干路上的射頻信號(hào)；一個(gè)射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路(102),檢測(cè)輸入信號(hào)功率大小，以模擬電壓形式輸出；一個(gè)柵極電壓控制電路(103)，采集射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路(102)輸出的模擬電壓，根據(jù)輸入射頻信號(hào)的功率檢索查找表LUT，輸出兩個(gè)模擬電壓，分別作為驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器(200)的柵極偏置電壓和Doherty的主功放(300)的柵極偏置電壓； -驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器(200)，對(duì)射頻信號(hào)初步放大，至少包括一個(gè)晶體管(201)，所述晶體管(201)前端具有匹配網(wǎng)絡(luò)和可調(diào)柵極供電電路；所述晶體管(201)后端具有漏極供電電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)； -Doherty功放(300)，至少包括功率分配器(301)，將射頻信號(hào)等功率分為兩路；至少包括一個(gè)主功放(302)，與功率分配器(301)的其中一個(gè)輸出端相連，其偏置在AB類或B類，柵極電壓可調(diào)；至少包括一個(gè)峰值功放(303)，與功率分配器(301)的另一個(gè)輸出端相連，其偏置在C類；至少包括功率合成器(304)，起到負(fù)載調(diào)制作用，使主功放(302)提前進(jìn)入飽和工作狀態(tài)； 在上述裝置中，通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器(200)和Doherty功放(300)，獲得高的放大效率；通過(guò)設(shè)置數(shù)字控制電路單元(100)，根據(jù)功率放大器非線性失真產(chǎn)生的機(jī)理，利用柵極電壓控制電路(103)控制驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器(200)的柵極偏置電壓和Doherty的主功放(302)的柵極偏置電壓，從而改變驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器(200)和Doherty的主功放(302)失真分量的相位與幅度，使其對(duì)消，獲得高的線性度。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的射頻功率放大裝置，其特征在于，所述射頻信號(hào)功率檢測(cè)電路(102)包括帶通濾波器BPF (112)，功率檢波器(122)和低通濾波器LPF (132)。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的射頻功率放大裝置，其特征在于，所述晶體管(201)選用LDMOS或者 GaN。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的射頻功率放大裝置，其特征在于，所述功率分配器(301)是威爾金森功分器或者Branch-line定向I禹合器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種射頻功率放大裝置，包括數(shù)字控制電路、驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器和Doherty功放；數(shù)字控制電路由耦合器、信號(hào)功率檢測(cè)電路和柵極電壓控制電路構(gòu)成。數(shù)字控制電路根據(jù)信號(hào)功率的大小，調(diào)整驅(qū)動(dòng)放大器和Doherty中主功放的柵極電壓，使得放大器系統(tǒng)的取得最優(yōu)的線性度。信號(hào)放大模塊由驅(qū)動(dòng)放大器和Doherty功放組成，驅(qū)動(dòng)放大器偏置在AB類，保證較優(yōu)的線性度和增益，Doherty功放保證系統(tǒng)的高效率。本發(fā)明是一種高效率高線性的功率射頻放大器，應(yīng)用于無(wú)線通信發(fā)射機(jī)中。
文檔編號(hào)H03F3/20GK102801392SQ20121033754
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者何松柏, 丁炫, 謝樹(shù)義, 侯憲允, 呂亞博, 游飛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)